Sam Posey commence sa carrière en tant que pilote amateur de voitures de sport, puis se fait remarquer dans le championnat Trans-Am à la fin des années 1960. En 1968, il pilote une Chevrolet Camaro pour l'équipe de Roger Penske, contribuant à la victoire de Chevrolet dans le championnat. L'année suivante, il remporte la course Trans-Am de Lime Rock au volant d'une Ford Mustang d'usine.

En 1971, il fait ses débuts en Formule 1 avec l'équipe Surtees lors du Grand Prix des États-Unis, mais il abandonne la course. Il revient en 1972 avec la même équipe et termine douzième. Parallèlement, il participe à des courses de Champ Car entre 1969 et 1974. Il dispute également les 500 Miles d'Indianapolis en 1972.

Sam s'illustre dans les courses d'endurance, notamment aux 24 Heures du Mans, où il participe en 1971 avec une Ferrari 512M et en 1975 avec une BMW 3.0 CSL. Il termine dixième de l'édition 1976 avec BMW 1. Son plus grand succès en endurance reste sa victoire aux 12 Heures de Sebring en 1975.

En 1973, lors des qualifications des 500 Miles d'Indianapolis, son équipe tente une manœuvre controversée : déguiser une voiture déjà qualifiée pour lui permettre une nouvelle tentative, ce qui entraîne sa disqualification.

Après sa carrière de pilote, il devient commentateur de sport automobile et apporte son expertise aux retransmissions télévisées. En 2003, il reçoit le Bob Akin Memorial Motorsports Award du Road Racing Drivers Club.